【细胞生物学笔记】细胞增殖

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一、细胞增殖：生命活动的基石

细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础，通过分裂增加细胞数量，真核生物有有丝分裂、无丝分裂和减数分裂三种方式。

有丝分裂是人、动物、植物、真菌等一切真核生物中的一种最为普遍的分裂方式，是真核细胞增殖的主要方式。一个细胞周期包括分裂间期和分裂期，间期大约占细胞周期的 90% 到 95%，主要完成 DNA 分子的复制和有关蛋白质的合成。分裂期分为前期、中期、后期和末期，在这个过程中，细胞核中染色体的变化最为明显。有丝分裂的重要意义在于将亲代细胞的染色体经过复制以后，精确地平均分配到两个子细胞中去，保持了细胞的亲子代之间遗传性状的稳定性。

无丝分裂过程比较简单，一般是细胞核先延长，从核的中部向内凹进，缢裂成为两个细胞核，接着整个细胞从中部缢裂成两部分，形成两个子细胞。无丝分裂主要在高度分化的细胞中较为常见，如蛙的红细胞等。

减数分裂是生殖细胞形成时的一种特殊的有丝分裂，染色体会复制一次，但细胞分裂两次，导致最终产生的子细胞中染色体数目比原始细胞减少一半。这种分裂方式有助于增加遗传多样性，对于生物体的繁殖和进化至关重要。

细胞增殖对于生物体的重要性不言而喻。它能够补充因自然衰老、损伤或疾病而死亡的细胞，如皮肤细胞的更新有助于伤口愈合，血细胞的生成则保证了血液循环的持续。在胚胎发育过程中，细胞增殖更是决定了生物体的形态和结构。然而，如果细胞增殖失去控制，可能会导致肿瘤的形成，因此细胞增殖的调控机制对于维持生物体的健康同样重要。

二、细胞增殖的意义

（一）维持生命活动

细胞增殖在维持生命活动中起着至关重要的作用。除了皮肤细胞更新有助于伤口愈合以及血细胞生成保证血液循环之外，还有许多其他例子。例如，在消化系统中，肠道上皮细胞的不断增殖可以维持肠道内壁的完整性，确保营养物质的正常吸收。当肠道受到损伤时，细胞增殖能够迅速修复受损部位，恢复其正常功能。

此外，细胞增殖对于免疫系统也至关重要。免疫细胞如淋巴细胞、白细胞等的增殖可以增强机体的免疫力，抵御病原体的入侵。当身体受到感染时，免疫细胞会迅速增殖，产生大量的抗体和免疫因子，以对抗病原体。

（二）决定生物体形态结构

在胚胎发育过程中，细胞增殖是决定生物体形态和结构的关键因素。从一个受精卵开始，通过不断的细胞增殖和分化，逐渐形成了复杂的生物体。在这个过程中，细胞增殖的速度、方向和时间都受到严格的调控，以确保各个器官和组织的正常发育。

例如，在胚胎发育的早期，细胞快速增殖形成了囊胚。随着发育的进行，特定区域的细胞增殖速度加快，形成了不同的器官原基。这些器官原基中的细胞继续增殖和分化，最终形成了成熟的器官。

细胞增殖还通过精确地分配遗传物质，保持了遗传性状的稳定性。在有丝分裂过程中，亲代细胞的染色体经过复制后，平均分配到两个子细胞中。这种精确的遗传物质分配确保了子代细胞具有与亲代细胞相同的遗传信息，从而维持了生物体的遗传稳定性。

总之，细胞增殖对于生物体的生存和发展具有不可替代的重要意义。它不仅能够维持生命活动，还能够决定生物体的形态和结构，是生命活动的基石之一。

三、细胞增殖的过程

（一）物质准备与细胞分裂

细胞增殖是一个复杂而有序的过程，包括物质准备和细胞分裂两个阶段。对于多细胞生物来说，细胞生长可以增大细胞的体积，而细胞分裂则能够增加细胞的数量。多细胞生物体体积的增大，既靠细胞生长，又靠细胞分裂。

细胞在分裂之前，必须进行物质准备。这个阶段主要涉及到 DNA 的复制和相关蛋白质的合成。通过物质准备，细胞为后续的分裂过程提供了必要的物质基础。在细胞分裂过程中，细胞将复制的遗传物质平均地分配到两个子细胞中，确保了子代细胞具有与亲代细胞相同的遗传信息。

（二）不同分裂方式详述

1.有丝分裂

有丝分裂是真核生物中最为普遍的分裂方式，也是真核细胞增殖的主要方式。一个完整的有丝分裂过程包括分裂间期和分裂期。

分裂间期又分为 G1 期、S 期和 G2 期。G1 期主要进行 RNA 和蛋白质的合成；S 期进行 DNA 的复制，将 DNA 总量增加一倍；G2 期细胞里含有两套完整的二倍体染色体，不再进行 DNA 合成，但仍进行一些蛋白质的合成，为细胞分裂做准备。

分裂期分为前期、中期、后期和末期。前期染色质螺旋缠绕成染色体，纺锤体出现，核膜、核仁消失；中期染色体的着丝点排列在细胞中央的赤道板上，形态固定，数目清晰；后期着丝点分裂，姐妹染色单体分离，成为两条子染色体，在纺锤丝的牵引下分别向细胞两极移动；末期染色体到达两极后解螺旋形成染色质丝，纺锤体消失，核膜、核仁重建，细胞一分为二。

有丝分裂的重要意义在于将亲代细胞的染色体精确地平均分配到两个子细胞中，保持了细胞的亲子代之间遗传性状的稳定性。

2.无丝分裂

无丝分裂过程相对简单。一般是细胞核先延长，从核的中部向内凹进，缢裂成为两个细胞核，接着整个细胞从中部缢裂成两部分，形成两个子细胞。

无丝分裂主要在高度分化的细胞中较为常见，如蛙的红细胞等。

3.减数分裂

减数分裂是生殖细胞形成时的一种特殊的有丝分裂。染色体会复制一次，但细胞分裂两次。

在减数第一次分裂过程中，同源染色体配对、联会，然后分离，进入不同的子细胞中，导致子细胞中染色体数目减半。减数第二次分裂过程与有丝分裂类似，但没有染色体的复制。

减数分裂有助于增加遗传多样性，对于生物体的繁殖和进化至关重要。

四、促进细胞增殖的方法

（一）提供合适条件

细胞的生长和增殖需要适宜的环境条件。首先，提供合适的营养是关键。不同类型的细胞对营养的需求各不相同，例如细菌通常需要碳源、氮源、无机盐和生长因子等。合适的细胞培养基不仅提供细胞生长所需的各种营养物质，还提供培养细胞生长和繁殖的生存环境。

控制温度也至关重要。一般哺乳类与禽类细胞在体外培养的适宜温度是 37～38℃，温度过高或过低都会影响细胞的生长。细胞生长的温度极限为 -7℃～90℃，各类细菌对温度的要求不同，可分为嗜冷菌、嗜温菌和嗜热菌等。病原菌均为嗜温菌，最适温度为人体的体温，即 37℃。

维持 pH 平衡同样不可忽视。细胞需要在适当的 pH 范围内生长，最佳的 pH 会根据细胞的类型和生长阶段而有所不同。可以通过使用缓冲液或添加酸碱调节剂来维持适当的 pH。

提供足够的氧气对于好氧细胞来说是必需的。可以通过使用气体交换装置、搅拌或通气等方法来增加培养环境中的氧气含量。

避免有害物质的污染也是细胞培养的重要环节。细胞培养过程中，需要避免细菌、病毒、重金属和化学物质等有害物质的污染。可以通过使用无菌技术、定期更换培养液和使用抗生素等方法来避免有害物质的污染。

使用生长因子可以促进一些细胞的生长和增殖。生长因子可以是细胞自分泌的，也可以是外源添加的。需要根据细胞的类型和生长阶段来选择适当的生长因子。

定期传代可以保持细胞的活力和生长。细胞在培养过程中会不断增殖，当细胞数量过多时，需要定期进行传代，以保持细胞的活力和生长。传代可以通过使用胰蛋白酶等细胞消化剂将细胞从培养瓶或培养皿上消化下来，然后再接种到新的培养瓶或培养皿中进行培养。

（二）加入增殖生长因子

在细胞培养过程中，加入增殖生长因子是促进细胞增殖的重要方法之一。通过在培养基中加入增殖生长因子，可以刺激细胞的生长和分裂，提高细胞的增殖速度。

例如，在一种用于提高细胞增殖的细胞培养方法中，首先采集对数生长期的细胞，获得核细胞。然后进一步分离获得单核细胞和悬浮细胞，按一定的倍数稀释细胞悬液，获得样本 A。接着，实时采集实验环境数据，设置温度传感器、转速传感器、溶氧传感器和 PH 传感器，设置预设温度、搅拌转速、溶氧参数、PH 参数，进而在这个条件下，按配方调配培养液。将培养液和样本 A 融合，放入培养器皿后，加入氧气融合，调速搅拌，在培养基中加入增殖生长因子，检测细胞增殖情况，获得 A1 培养溶液。

此外，还可以通过调配培养液和融合不同样品来促进细胞增殖。按配方调配细胞培养剂，根据不同物质，调配获得 J1/J2/J3/J4 样品。将部分培养基分别和 J1/J2/J3/J4 进行搅拌、抽真空脱气泡后经冷却放置，获得培养液 B1/B2/B3/B4。将 A1 培养液分别和培养液 B1/B2/B3/B4 进行融合，放入恒温培养箱培养。最后，二次进行细胞增殖检测，配合增殖检测数据，进行细胞周期调控。

在细胞增殖过程中，可以采用标准分光光度计、荧光分光光度计和酶标仪检测细胞增殖情况。同时，对细胞的代谢活性进行检测。在细胞增殖过程中脱氢酶的活性会增加，其底物四唑盐或 AlamarBlue 在代谢活跃的细胞环境中会逐渐减少，形成能够改变培养基颜色的甲躜染料，通过分光光度计和酶标仪来读取含染料培养基的吸光度，从而衡量细胞的代谢活性，检测细胞增殖的情况。MTT、XTT、MTS 和 WST1 这四种四唑盐以及 AlamarBlue 氧化还原染料能够用于标准分光光度计、荧光分光光度计和酶标仪等仪器进行检测。其中，WST1 更灵敏有效，与其他盐相比能够更快显色；AlamarBlue 的灵敏度也很高，只要微孔板的孔中有 100 个细胞就能够检测到。

五、细胞增殖的影响因素

（一）细胞内因素

细胞周期调控因子在细胞增殖中起着关键作用。它们精确地调控着细胞周期的各个阶段，确保细胞有序地进行分裂和生长。例如，某些调控因子可以促进细胞从 G1 期进入 S 期，启动 DNA 复制；而另一些则控制着细胞从 G2 期进入 M 期，开始细胞分裂。当细胞周期调控因子出现异常时，可能会导致细胞增殖失控，引发肿瘤等疾病。

DNA 损伤修复系统对于维持细胞的正常增殖也至关重要。细胞在生长过程中会受到各种因素的影响，如辐射、化学物质等，导致 DNA 损伤。如果 DNA 损伤修复系统不能及时修复这些损伤，就可能影响细胞的正常增殖，甚至引发细胞凋亡。

细胞凋亡和自噬是细胞内的两种重要机制，它们在一定程度上也会影响细胞增殖。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，当细胞受到严重损伤或不再需要时，就会启动凋亡程序。而自噬则是细胞通过降解自身受损的细胞器和蛋白质等物质，为细胞提供能量和物质，维持细胞的生存。适当的细胞凋亡和自噬可以清除受损细胞，为正常细胞的增殖提供空间；但过度的细胞凋亡或自噬也可能抑制细胞增殖。

（二）细胞外因素

细胞外基质为细胞提供了物理支撑和生长环境。合适的细胞外基质可以促进细胞黏附、迁移和增殖。例如，某些细胞外基质成分可以与细胞表面的受体结合，激活细胞内的信号通路，促进细胞增殖。

细胞因子、生长因子和激素等可以通过与细胞表面的受体结合，传递信号到细胞内，调节细胞的增殖、分化和存活。例如，胰岛素样生长因子可以促进细胞的增殖和生长；而某些激素则可以调节特定细胞类型的增殖。

营养物质是细胞增殖的物质基础。细胞需要充足的营养物质，如碳水化合物、氨基酸、无机盐和维生素等，才能进行正常的代谢和增殖。缺乏某些关键营养物质可能会抑制细胞增殖。

氧气对于细胞的能量代谢至关重要。细胞需要氧气参与三羧酸循环，产生能量以供给细胞生长、增殖和合成各种所需成分。适宜的氧气浓度可以促进细胞增殖，而低氧或高氧环境可能对细胞增殖产生不利影响。

温度也会影响细胞增殖。一般哺乳类及禽类细胞体外培养的适宜温度是 37~38℃。温度过高或过低都会影响细胞的代谢活力和核分裂，从而影响细胞增殖。

（三）环境因素

辐射，如紫外线、X 射线、电离辐射等，可能会对细胞造成 DNA 损伤，影响细胞增殖。弱紫外线下耐受能力强的细胞变化不大，但对敏感的细胞有损害；而高剂量的辐射可能导致细胞死亡。

化学物质，如石棉、砷化物、铬化物、镉化物、黄曲霉素、亚硝胺、尼古丁、甲醛、苯、联苯胺、煤焦油、苯并芘等，可能会引起基因突变或细胞毒性，抑制细胞增殖或导致细胞癌变。

病毒感染和细菌感染也可能影响细胞增殖。某些病毒可以整合到细胞的基因组中，干扰细胞的正常功能，导致细胞增殖异常；而细菌感染可能会引起炎症反应，释放炎症因子，影响细胞的生长环境。

（四）遗传因素

基因突变可能导致某些关键基因的功能缺失或异常，影响细胞增殖。例如，生长因子受体基因突变可能导致生长因子信号通路失调，从而影响细胞增殖和分化。

染色体异常，如染色体数目、结构发生变化，可能导致基因表达异常，进而引起细胞增殖失控或生长停滞。例如，某些肿瘤细胞中常出现染色体异常。

（五）年龄因素

随着年龄的增长，细胞增殖能力逐渐降低。这可能是由于细胞内的各种生理功能逐渐衰退，如 DNA 损伤修复能力下降、细胞周期调控因子活性降低、端粒缩短等。此外，年龄增长还可能导致细胞外环境的改变，如营养物质供应减少、激素水平变化等，这些因素共同作用，使得细胞增殖能力下降。

（六）疾病因素

肿瘤是细胞增殖失控的典型疾病。肿瘤细胞中的原癌基因激活和抑癌基因失活，导致细胞无限增殖。肿瘤细胞还具有侵袭和转移的能力，影响正常组织的功能。

炎症和感染也会影响细胞增殖。炎症反应中释放的炎症因子可能会抑制或促进细胞增殖，具体取决于炎症的类型和程度。感染某些病毒或细菌可能会直接影响细胞的增殖能力，或者通过激活免疫系统间接影响细胞增殖。

自身免疫性疾病中，免疫系统错误地攻击自身组织细胞，可能会导致细胞损伤和死亡，影响细胞增殖。同时，自身免疫性疾病可能会引起炎症反应，进一步影响细胞的生长环境。